功率因数校正原理及相关IC
1概述
近年来，随着电子技术的发展，对各种办公自动化设备，家用电器，计算机的需求逐年增加。这些设备的内部，都需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。作为限制标准，IEC发布了IEC1000 3 2；欧美日各国也颁布实施了各自的标准。为此谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题。
2高次谐波及功率因数校正
一般开关电源的输入整流电路为图1所示：
市电经整流后对电容充电，其输入电流波形为不连续的脉冲，如图2所示。这种电流除了基波分量外，还含有大量的谐波，其有效值I为：I=(1)
式中：I1，I2，…In，分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量。
谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变,我们将各次谐波有效值与基波有效值的比称之为总谐波畸变TH D(TotalHarmonicDistortion)：THD=(2)
用来衡量电网的污染程度。脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变，见图3的波峰处。它对自身及同一系统的其它电子设备产生恶劣的影响，如：
——引起电子设备的误操作，如空调停止工作等；
——引起电话网噪音；
——引起照明设备的障碍，如荧光灯闪灭；
——造成变电站的电容，扼流圈的过热、烧损。
功率因数定义为PF=有效功率/视在功率,是指被有效利用的功率的百分比。没有被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动，不仅增加线路损耗，而且成为污染源。
设电容输入型电路的输入电压e为：
e(t)=Em·sinω0t(3)
图1电容输入型电路
图2电容输入型电路的输入电流,5A/DIV
图3输入电压波形发生畸变
入电流i为：i(t)=Imk·sin(kω0t)(4)
则有效功率Pac为：
Pac=e(t)·i(t)dt=Em·Im1/2=E·I1而视在功率Pap为：
Pap=E·I因此：
PF=Pac/Pap=I1/I=(5)
电流波形为图2的电源功率因数只有62.4％。由式(2)、(5)可见功率因数与总谐波畸变THD的关系为:
PF=1/(6)
从式(2)、式(5)可见，抑制谐波分量即可达到减小THD，提高功率因数的目的。因此可以说谐波的抑制电路即功率因数校正电路(实际上有所区别)。
3功率因数校正的实现方法
综上所述，只要设法抑制输入电流中的谐波分量，通过电路方法，将输入电流波形校正为或使无限接近正弦波,即可实现功率因数校正。
有很多的电路方式可以实现这一目的，比如说在电路中加入一个大电感（见图4），使整流管的导通角变大。这种方法虽然简单，价格低，但存在体积大，重量大，且效果不好(PF小于80％)等缺点。
下面以东芝公司的功率因数校正控制ICTA8310F为例，介绍一种有源功率因数校正方法。电路原理图见图5。
3．1主电路
由一个全桥整流器和升压型BOOST变换器构成，虽然其它的变换器BUCK,FLYBACK等也可以实现这一功能，但是由于BOOST变换器具有输出电容小断电保持时间长，可实现WorldWild电压输入，及输入电流连续EMI小等诸多优点，大部分功率因数校正都采用它来作为主电路。
Vout=Vin/（1－D）（7）
式中：Vin为输入电压的有效值；
D为开关管FET的占空比。
主电路参数为：输入178～264Va.c.；
输出380Vd.c.；
最大输出功率608W。
3．2PFC控制电路
为图5的虚线框中部分，主要包含一个乘法器MPX，电流误差放大器EI及PWM比较器。三者协调工作，将系统的输入电流校正为正弦波，实现谐波的抑制。原理如下:
（1）乘法器MPX包含2个输入，一个是通过电阻Ra检测输入电压，作为基准的正弦波信号。只要做到使输入电流波形与此一致，即可达到目的。乘法器的另一个输入是电压误差放大器EV的输出端，作为输出稳压的控制信号，见下述（3）。乘法器为电流输入型，不易受噪音干扰；
图4扼流圈输入型电路
图5有源功率因数校正电路原理图（原图，未做格式处理）
图6电感线圈L的电流波形示意图
图7功率因数改善后的输入电流波形,2A/DIV
（2）乘法器的输出电流信号为基准正弦波电流与电压误差放大器EV输出的积，它通过电阻Rb，产生一个信号电压。该信号电压与由电阻Rc检测到的主电路电流的信号电压之差输入到电流误差放大器EI，而E I与PWM比较器，驱动器DRIVER，主电路及Ra形成一个闭环控制。使两者的差无限接近于零。也就是说电阻Rb上的信号电压与电阻Rc上的信号电压相同，以达到电源的输入电流波形无限接近于基准正弦波的目的。
为了更容易理解，可放大示波器X轴量程，观察输入电流IL的波形，如图6所示，通过PWM控制，改变开关的占空比，来实现对输入电流的校正；
（3）一个PFC里面有2个闭环控制回路，其一就是上述的（1）、（2），我们称之为电流控制环。它实现功率因数校正。其二是由电压误差放大器EV，乘法器MPX，EI，PWM比较器，DRIVER，主电路及R a构成的电压控制环，它使输出电压稳定在380Vd.c.。
主要设计参数有:开关频率f=95kHz；
功率因数PF=99.2％；
效率η=95.4％。
EMC:符合VCCI A,FCC A,VDE A,DOC A,及EN55022。
实现功率因数校正后的电源，其输入电流的波形，见图7。功率因数达到99.2％，THD只有0.127。与图2比较，电流波形已得到明显的校正。
3．3设计时的注意事项
扼流线圈的选取会影响到输出纹波电流的大小，及其它电路设计参数。应保证它有足够大的饱和电流，而
其值L为：L=·Vmin2/（2··Pout·f）(8)
式中：Vmin为最小输入电压的峰值；
Vout为输出电压；
ΔIL为扼流线圈上的纹波电流峰峰值；
IPmax为输入电流的峰值；
Pout为输出功率；
f为电源开关频率。
用来检测电流的主电路上的Rc应当选用额定功率大的电阻，且阻值应尽量小，一般在几十mΩ级。
IC的2脚，4脚间及12脚，13脚间接入RC相位补偿网络，合适的选值可以使系统更稳定，并可减小输出电压纹波。
4结语
作为限制谐波电流的对策而导入的功率因数校正，对其小型化，高效率，低价格，噪音小的要求将会越来越苛刻，特别是对其低噪音化在国外已经成为一个重要的课题，利用谐振技术的PFC控制IC也已经得到了开发和应用，如UNITRODE公司的UC3852等。改善和创新永无止境。
功率因数校正之基本原理
功率因数校正之基本原理 何谓工率因数？ 功率因数（power factor；pf）定义为实功（real power；P）对视在功率（apparent power；S）之比，或代表电压与电流波形所形成之相角之余弦，如图1。功率因数值可由0至1之间变化，可为电感性（延迟的、指标向上）或电容性（领先的、指标向下）。为了降低电感性之延迟，可增加电容，直到pf为1。当电压与电流波形为同相时，工率因数等于1（cos(0o)=1）。所有努力使工率因数等于1是为了使电路为纯电阻化（实功等于视在功率）。 ▲图1: 功率因数之三角关系。 实功（瓦特）可提供实际工作，此为能量转换元素（例如电能到马达转动rpm）。虚功（reactive power）乃为使实功完成实际工作所产生之磁场（损耗）。而视在功率可想成电力公司提供之总功率，如图1所示。此总功率经由电力线提供产生所需之实功。 当电压与电流皆为正弦波时，如前述定义之功率因数（简称为功因）为电压与电流波形之对应相角，但大部份之电源供应器之输入电流乃非正弦波。当电压为正弦波而电流为非正弦波时，则功因包括两个因素：1)相角位移因素，2)波形失真因素。等式1表示相角位移与波形失真因素之于功因的关系。 ----------------------------------------------------(1)
Irms(1)为电流之主成份，Irms电流之均方根值。因此功率因数校正线路是为了使电流失真最小，且使电流与电压同相。 当功因不等于1时，电流波形没有跟随电压波形，不但有功率损耗，且其产生之谐波透过电力线干扰到连接同一电力线之其它装置。功因越接近1，几乎所有功率皆包含于主频率，其谐波越接近零。 ■了解规范 EN61000-3-2对交流输入电流至第40次谐波规范。而其class D对适用设备之发射有严格之限制（图2）。其class A要求则较宽松（图3）。 ▲图2:电压与电流波形同相且PF=1(Class D)。
功率因数校正的分析
CRM；而如欲减少EMI问题，选择DCM。 b．如功率水平高于250W，CCM是首选方案。此方案虽然可保持峰值电流和有效值电流，但必须解决二极管反向恢复问题。 c．如功率水平在150W 与250w之间，方案的选择则取决于设计人员的磁件设计水平。 d．如果功率在几kw之上，则采用可控整流电路代替不控整流电路，控制方法采用pwm整流，以实现功率因数的矫正。 2、其它系统要求：拓扑的选择还以满足各种高能效标准。例如，如果需要使系统中的频率同步，则不能采用CRM。此外，如果第二个功率段可处理较大范围(在某些功率序列安排中可能需要)的输入电压，则应选择跟随升压。 功率因数的限制因数： 为什么在一般的电路中功率因数较低呢？有很多因数的影响。其中影响功率因数的主要原因是这些电器的整流电源普遍采用的电容滤波型桥式整流电路（图1）。 这种电路的基本工作过程是：在交 流输入电压的正半周，D1、D3导通，交 流电压通过Dl、D3对滤波电容C充电， 若Dl、D3的正向电阻用r表示，交流电 源内阻用R表示，则充电时间常数可近 似表示为： τ = C 2(+ r) R 由于二极管的正向电阻r和交流电源内阻R很小，故r很小。滤波电容C很快被充电到交流输入电压的峰值，当交流电源输入电压小于滤波电容C的端电压时， Dl、D3就处于截止状态；同理，可 分析负半周D2、D4的工作情况。由 分析不难看出，当电路达到稳态后， 在交流输入电压的一个周期内二极 管导通时间很短，输入电流波形畸 变为幅度很大的窄脉冲电流(图 2)。 由上图可分析出，这种畸变的 电流含有丰富的谐波成分，严重影 响电器设备的功率因数。由理论推
功率因数如何计算
许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，因此，所谓的"无功"并不是"无用"的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已；因此在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。 在功率三角形中，有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数cosφ，其计算公式为： cosφ=P/S=P/[(P2+Q2)^(1/2)] P为有功功率，Q为无功功率。 在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。 1 影响功率因数的主要因素 (1)大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60％～70％；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60％～70％。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。 (2)变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10％～15％，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。 (3)供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。 当供电电压高于额定值的10％时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110％时，一般无功将增加35％左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。 无功补偿通常采用的方法主要有3种：低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。下面简单介绍这3种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。 (1)低压个别补偿: 低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行(如大中型异步电动机)的无功消耗，以补励磁无功为主。低压个别补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，因此不会造成无功倒送。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。 (2)低压集中补偿： 低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧，以无功补偿投切装置作为控制保护装置，根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。电容器的投切是整组进行，做不到平滑的调节。低压补偿的优点：接
无源功率因数校正电路的原理和应用
无源功率因数校正电路的原理和应用 摘要:本文介绍SIEMENS公司提出的开关电源集成控制器TDA16846无源功率因数校正(PFC)电路原理及其在电视机开关电源中的应用。功率因数的改善是基于一个特殊的由电感,电容及二极管组成的充电泵电路,该电路在功率管的高压端兼起吸收缓冲作用,因此它具有输入谐波电流分量小,PF值高以及EMI小、电路简单、成本低和可靠性高等优点。这为电视机厂家提供了一个高效价廉的解决电源谐波问题的新方案。 关键词:开关电源功率因数校正 一、引言 众所周知,目前电视机和大部分通用电器都广泛地从交流电网中提取电能经整流后变成直流电供全机使用,AC电源经桥式整流后常接一个滤波平整电容。由于该电容的存在,使整流臂的导通时间小于半个周期,因而做成输入电源电压是正弦形,而输入电流却是正负交替的脉冲形。后者导致大量电流谐波特别是三次谐波的产生,这既构成对电网效能的干扰和损害,又降低了本机功率因数,为此，我国跟欧美各国一样，已于去年12月1日起正式实施限制功耗大于75W的通用电器产品输入谐波电流的新规定。面对这种新情况,当前各电器厂家都必须考虑更新产品中的电源设备,尤其是对25英寸以上的彩色电视机,过去国内产品绝大部分都没有安装PFC电路,其PF值一般在0.55～0.65之间,输入电流谐波分量往往超出国家限定的标准,因此改进电源电路,增加PFC功能以便降低电视机的输入电流谐波分量是各厂家的当务之急。 本文介绍由SIEMENS公司推出的与开关电源集成控制器TDA16846配合使用的一个无源功率因数校正(PFC)电路,该电路能将电源PF值提高到0.9以上,与有源PFC电路相比,它明显地具有结构简单,成本低,可靠性高,和EMI小等优点,因此对电视机厂家来说,不失为一个有效的解决电源谐波问题的可行方案。 二、无源PFC电路工作原理介绍 图1示出一个不含PFC的标准型电源电路的输入电压Vm和输入电流Im波形,Im只在Vm为正最大和负最大的一小段时间内流通,在这些时间以外,Im为零。这是因为此时的正弦电压输入值小于泸波电容上的电压,导致整流二极管不导通的缘故。
常用有源功率因数校正电路分类及工作原理分析
常用有源功率因数校正电路分类及工作原理分析 来源：半导体器件应用网 摘要：常用有源功率因数校正电路分为连续电流模式控制型与非连续电流模式控制型两类。其中，连续电流模式控制型主要有升压型(Boost)、降压型(Buck)、升降压型(Buck-Boost)之分;非连续电流模式控制型有正激型(Forward)、反激型(Fly back)之分，下面对这几种电路的工作原理分别加以介绍。 关键字：有源功率因数校正电路,升压型PFC, PFC电路,工作原理 常用有源功率因数校正电路分为连续电流模式控制型与非连续电流模式控制型两类。其中，连续电流模式控制型主要有升压型(Boost)、降压型(Buck)、升降压型(Buck-Boost)之分;非连续电流模式控制型有正激型(Forward)、反激型(Fly back)之分，下面对这几种电路的工作原理分别加以介绍。 1.升压型PFC电路 升压型PFC主电路如图1所示，其工作过程如下：当开关管Q导通时，电流IL 流过电感线圈L，在电感线圈未饱和前，电流线性增加，电能以磁能的形式储存在电感线圈中，此时，电容C放电为负载提供能量;当Q截止时，L两端产生自感电动势VL，以保持电流方向不变。这样，VL与电源VIN串联向电容和负载供电。 图1 升压型PFC主电路 这种电路的优点是：(1)输入电流完全连续，并且在整个输人电压的正弦周期内都可以调制，因此可获得很高的功率因数;(2)电感电流即为输入电流，容易调节;(3)开关管栅极驱动信号地与输出共地，驱动简单;(4)输入电流连续，开关管的电流峰值较小，对输入电压变化适应性强，适用于电网电压变化特别大的场合。主要缺点是输出电压比较高，且不能利用开关管实现输出短路保护。 2.降压型PFC电路
功率因数校正(PFC)技术的研究
网络教育学院《电源技术》课程设计 题目：功率因数校正（PFC）技术的研究 学习中心：辽宁东港奥鹏 层次：高中起点专科 专业：电气工程及其自动化 年级： 2010年春季 学号： 学生： 辅导教师：武东锟 完成日期： 2012年 2 月 24 日
内容摘要 本文对于单相与单相PFC技术及其控制方法的研究，针对于各种功率因数校正，介绍了相应的基本工作原理，和功率因数校正技术的额发展和其主要最主要特点。从主电路的拓扑形式和控制方式分析有源功率因数校正。进而更好的学习电源技术。 关键词：功率因数校正；PFC技术；控制方法；有源功率因数
引言、 功率因数是衡量电器设备性能的一项重要指标。功率因数低的电器设备，不仅不利于电网传输功率的充分利用，而且往往这些电器设备的输入电流谐波含量较高，实践证明，较高的谐波会沿输电线路产生传导干扰和辐射干扰，影响其它用电设备的安全经济运行。如对发电机和变压器产生附加功率损耗，对继电器、自动保护装置、电子计算机及通讯设备产生干扰而造成误动作或计算误差。因此。防止和减小电流谐波对电网的污染，抑制电磁干扰，已成为全球性普遍关注的问题。国际电工委与之相关的电磁兼容法规对电器设备的各次谐波都做出了限制性的要求，世界各国尤其是发达国家已开始实施这一标准。 随着减小谐波标准的广泛应用，更多的电源设计结合了功率因数校正(PFC)功能。设计人员面对着实现适当的PFC段，并同时满足其它高效能标准的要求及客户预期成本的艰巨任务。许多新型PFC拓扑和元件选择的涌现，有助设计人员优化其特定应用要求的设计。
1功率因数校正基本原理及方法 1.1功率因数校正基本原理 功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。开关电源供应器上的功率因数校正器的运作原理是去控制调整交流电电流输入的时间与波型，使其与直流电电压波型尽可能一致，让功率因数趋近于。这对于电力需求量大到某一个水准的电子设备而言是很重要的, 否则电力设备系统消耗的电力可能超出其规格，极可能干扰铜系统的其它电子设备。 PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。 1.1.1拓扑选择的一般方法 由于输入端存在电感，升压转换器是提供高功率因数的方法。此电感使输入电流整形与线路电压同相。但是，可以采用不同的方案来控制电感电流的瞬时值，以获得功率因数校正。 a．临界导电模式(CRM)PFC——由于控制的设计较为简单，而且可与较低速升压二极管配合使用，所以在较低功率应用中通常采用此方法。 b．不连续导电模式(DCM)PFC——此创新的方案延承了CRM 的优点，并消除了若干限制。 c．连续导电模式(CCM)PFC——由于这种方案恒频且峰值电流较小，是较高功率(>250 W)应用的首选方案。但是，传统的控制解决方案较为复杂，牵涉到多个环
电机功率计算公式
电机功率计算公式 Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT
一，电机额定功率和实际功率的区别 是指在此数据下电机为最佳工作状态。 额定电压是固定的，允许偏差10%。 电机的实际功率和实际电流是随着所拖动负载的大小而不同； 拖动的负载大，则实际功率和实际电流大； 拖动的负载小，则实际功率和实际电流小。 实际功率和实际电流大于额定功率和额定电流，电机会过热烧毁； 实际功率和实际电流小于额定功率和额定电流，则造成材料浪费。 它们的关系是： 额定功率=额定电流IN*额定电压UN*根3*功率因数 实际功率=实际电流IN*实际电压UN*根3*功率因数 二，280KW水泵电机额定电流和启动电流的计算公式和相应规范出处 (1)280KW电机的电流与极数、功率因素有关一般公式是：电流＝((280KW/380V)0.8.5机的电流怎么算 答：⑴当电机为单相电机时由P=UIcosθ得：I=P/Ucosθ,其中P为电机的额定功率，U为额定电压，cosθ为功率因数； ⑵当电机为三相电机时由P=√3×UIcosθ得：I=P/(√3×Ucosθ),其中P为电机的额定功率，U为额定电压，cosθ为功率因数。 功率因数
在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号 cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S 功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。 (1) 最基本分析：拿设备作举例。例如：设备功率为100个单位，也就是说，有100个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存在固有的无功损耗，只能使用70个单位的功率。很不幸，虽然仅仅使用70个单位，却要付100个单位的费用。在这个例子中，功率因数是 (如果大部分设备的功率因数 小于时，将被罚款)，这种无功损耗主要存在于电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)，又叫感性负载。功率因数是马达效能的计量标准。 (2) 基本分析：每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有用功(叫千瓦)及电抗性的无用功。功率因数是有用功与总功率间的比率。功率因数越高，有用功与总功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。 (3) 高级分析：在感性负载电路中，电流波形峰值在电压波形峰值之后发生。两种波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低，两个波形峰值则分隔越大。保尔金能使两个峰值重新接近在一起，从而提高系统运行效率。 对于功率因数改善
功率因数校正电路(pfc)电路工作原理及应用
功率因数校正(英文缩写是PFC)是 目前比较流行的一个专业术语。PFC 是在20世纪80年代发展起来的一项新技术，其背景源于离线开关电源的迅速发展和荧光灯交流电子镇流器的广泛应用。PFC 电路的作用不仅仅是提高线路或系统的功率因数，更重要的是可以解决电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。 线路功率因数降低的原因及危害 导致功率因数降低的原因有两个，一个是线路电压与电流之间的相位角中，另一个是电流或电压的波形失真。前一个原因人们是比较熟悉的。而后者在电工学等书籍中却从未涉及。 功率因数(PF)定义为有功功率(P)与视在功率(S)之比值，即PF=P/S 。对于线路电压和电流均为正弦波波形并且二者相位角Φ时，功率因数PF 即为COS Φ。由于很多家用电器(如排风扇、抽油烟机等)和电气设备是既有电阻又有电抗的阻抗负载，所以才会存在着电压与电流之间的相位角Φ。这类电感性负载的功率因数都较低(一般为0.5-0.6)，说明交流(AC)电源设备的额定容量不能充分利用，输出大量的无功功率，致使输电效率降低。为提高负载功率因数，往往采取补偿措施。最简单的方法是在电感性负载两端并联电容器，这种方法称为并联补偿。 PFC 方案完全不同于传统的“功率因数补偿”，它是针对非正弦电流波形而采取的提高线路功率因数、迫使AC 线路电流追踪电压波形的瞬时变化轨迹，并使电流与电压保持同相位，使系统呈纯电阻性的技术措施。 长期以来，像开关型电源和电子镇流器等产品，都是采用桥式整流和大容量电容滤波电路来实现AC-DC 转换的。由于滤波电容的充、放电作用，在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值(纹波峰值)相差并不多。根据桥式整流二极管的单向导电性，只有在AC 线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，而当AC 输入电压瞬时值低于滤波电容上 的电压时，整流二极管因反向偏置而截止。也就是说，在AC 线路电压的每个半周期内，只是在其峰值附近，二极管才会导通(导通角约为70°)。虽然AC 输入电压仍大体保持正弦波波形，但AC 输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲，如图l 所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份，引起线路功率因数严重下降。若AC 输入电流基波与输入电压之间的位移角是Φ1，根据傅里叶分析，功率因数PF 与电流总谐波失真(度)THD 之间存在下面关系： 而是由二极管、电阻、电容和电感等无源元件组成。无源PFC 电路有很多类型，其中比较简单的无源PFC 电路由三只二极管和两只电容组成，如图2所示。这种无源PFC 电路的工作原理是：当50Hz 的AC 线路电压按正弦规律由0向峰值V m 变化的1/4周期内(即在0 第25卷第3期上海电力学院学报V o l .25,N o .3 2009年6月 J o u r n a l o f S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r J u n e 2009 文章编号:1006-4729(2009)03-0201-07 有源功率因数校正技术及控制方式分析 收稿日期:2009-03-30 作者简介:张浩(1962-),男,博士,教授,博士生导师,江苏无锡人.主要研究方向为电力系统自动化,工业以太网, 现场总线,电力监测与管理,电力企业信息化等.E -m a i l :h z h a n g k @y a h o o .c o m .c n . 张 浩,许龙虎 (上海电力学院电力与自动化工程学院,上海 200090) 摘 要:电力电子设备谐波污染问题越来越严重,功率因数校正技术是解决该问题的最有效方法,而有源功率因数校正(A P F C )技术因其独特的优势成了该领域的研究重点.介绍了功率因数的定义和校正原理,并根据有源功率因数校正电路说明了A P F C 的工作原理,重点阐述了A P F C 技术的各种控制方法及其未来的发展趋势. 关键词:有源功率因数;校正技术;控制方式中图分类号:T P 217+.3 文献标识码:A A c t i v e P o w e r F a c t o r C o r r e c t i o n T e c h n o l o g y a n dC o n t r o l Me t h o d s A n a l y s i s Z H A N GH a o ,X UL o n g -h u (C o l l e g e o f E l e c t r i c P o w e r a n dA u t o m a t i o nE n g i n e e r i n g ,S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r ,S h a n g h a i 200090,C h i n a ) A b s t r a c t : T h eh a r m o n i c p o l l u t i o np r o b l e m o f p o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e s b e c o m e s m o r ea n dm o r e s e r i o u s ,a n d p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n t e c h n o l o g y i s t h e m o s t e f f e c t i v e m e t h o d t o s o l v e t h i s p r o b l e ma n d t h e a c t i v e p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n(A P F C )t e c h n o l o g y h a s b e c o m e t h e r e s e a r c hf o c u s o w i n gt oi t s u n i q u e a d v a n t a g e s .T h ed e f i n i t i o na n dp r i n c i p l e s o f p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o na r ei n t r o d u c e d ,t h e w o r k i n g p r i n c i p l e o f A P F Ct e c h n o l o g y i s s h o w e d a c c o r d i n g t o t h e A P F Cc i r c u i t .T h e d e v e l o p m e n t t r e n d a n d v a r i o u s c o n t r o l m e t h o d s o f A P F Ct e c h n o l o g y a r e m a i n l y a n a l y z e d .K e y w o r d s : a c t i v e p o w e r f a c t o r ;c o r r e c t i o n t e c h n o l o g y ;c o n t r o l m e t h o d s 随着我国经济的发展,各种换流设备的使用越来越多、容量越来越大,加上一些非线性用电设备接入电网,将其产生的谐波电流注入电网,使公用电网的电压波形发生畸变,造成电能质量下降,威胁电网和包括电容器在内的各种电气设备的安全经济运行.为了提高电网的供电质量,限制高次谐波污染,国内外电气组织先后制定了相关标准,我国国家技术监督局1993年颁布了G B /T 14549 -93电能质量公用电网谐波,国际电工委员会(I E C )1998年制定了I E C 61000-3-2标准 [1] .解 决电力电子设备谐波污染问题的方法有两种:一是对电网采用滤波补偿;二是对电力电子设备本 身进行改进,即进行功率因数校正.相对来说,功率因数校正能够更有效地消除整流装置的谐波,具有更广泛的前景,已经成为电力电子技术的一 个重要研究方向[2] . ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 一、什么是功率因数补偿，什么是功率因数校正： 功率因数的定义为有功功率与视在功率的比值． 功率因素补偿:这项技术主要是针对因具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相(图1)而引起的供电效率低下,提出的改进方法(由于感性负载的电流滞后所加电压,电压和电流的相位不同,使供电线路的负担加重,导致供电线路效率下降,这就要求在感性用电器具上并联一个性质相反的电抗元件.用以调整该用电器具的电压、电流相位特性.例如:当时要求所使用的40W日光灯必须并联一个4.75μF的电容器).用电容器并联在感性负载的两端,利用电容上电流超前电压的特性,用以补偿电感上电流滞后电压的特性,使总的特性接近于阻性,从而改善效率低下的方法叫做功率因数补偿(交流电的功率因数可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cosφ表示)。 图1 在具有感性负载中供电线路中电压和电流的波形 常规开关电源功率因数低是由于开关电源都是在整流后,用一个大容量的滤波电容使输出电压平滑,因此负载特性呈现容性.这就造成了交流220V在整流后,由于滤波电容的充、放电作用,在其两端的直流电压上出现略呈锯齿波的纹波.滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值(纹波峰值)相差并不多. 图2 全波整流电压和AC输入电流波形 因为根据整流二极管的单向导电性,只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时,整流二极管才会因正向偏置而导通,而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时,整流二极管因反向偏置而截止.也就是说,在AC线路电压的每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通.虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形,但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲,如图2所示.这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份,引起线路功率因数严重下降. 在正半个周期内(180o),整流二极管的导通角大大小于180o,甚至只有30o～70o.由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角期间,会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲状态.它不仅降低了供电的效率,更为严重的是,它在供电线路容量不足或电路负载较大时,会产生严重的交流电压波形畸变(图3),并产生多次谐波,从而干扰了其它用电器具的正常工作(这就是电磁干扰－EMI和电磁兼容－EMC问题)。 功率因数计算公式功率因数统计计算公式 视在功率S 有功功率P 无功功率Q 功率因数cos＠（符号打不出来用＠代替一下） 视在功率S＝（有功功率P的平方＋无功功率Q 的平方）再开平方而功率因数cos＠＝有功功率P／视在功率S 功率因数统计计算公式 可分为提高自然功率因数和采用人工补尝两种方法： 提高自然因数的方法： 1). 恰当选择电动机容量，减少电动机无功消耗，防止“大马拉小车”。 2). 对平均负荷小于其额定容量40%左右的轻载电动机，可将线圈改为三角形接法（或自动转换）。 3). 避免电机或设备空载运行。 4). 合理配置变压器，恰当地选择其容量。 5). 调整生产班次，均衡用电负荷，提高用电负荷率。 6). 改善配电线路布局，避免曲折迂回等。 人工补偿法： 实际中可使用电路电容器或调相机，一般多采用电力电容器补尝无功，即：在感性负载上并联电容器。一下为理论解释： 在感性负载上并联电容器的方法可用电容器的无功功率来补偿感性负载的无功功率，从而减少甚至消除感性负载于电源之间原有的能量交换。 在交流电路中，纯电阻电路，负载中的电流与电压同相位，纯电感负载中的电流滞后于电压90o，而纯电容的电流则超前于电压90o，电容中的电流与电感中的电流相差180o，能相互抵消。 电力系统中的负载大部分是感性的，因此总电流将滞后电压一个角度，如图1所示，将并联电容器与负载并联，则电容器的电流将抵消一部分电感电流，从而使总电流减小，功率因数将提高。 并联电容器的补偿方法又可分为： 1．个别补偿。即在用电设备附近按其本身无功功率的需要量装设电容器组，与用电设备同时投入运行和断开，也就是再实际中将电容器直接接在用电设备附近。 适合用于低压网络，优点是补尝效果好，缺点是电容器利用率低。 2．分组补偿。即将电容器组分组安装在车间配电室或变电所各分路出线上，它可与工厂部分负荷的变动同时投入或切除，也就是再实际中将电容器分别安装在各车间配电盘的母线上。 优点是电容器利用率较高且补尝效果也较理想（比较折中）。 3．集中补偿。即把电容器组集中安装在变电所的一次或二次侧的母 功率因数校正原理及相关IC 近年来，随着电子技术的发展，对各种办公自动化设备，家用电器，计算机的需求逐年增加。这些设备的内部，都需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。作为限制标准，IEC发布了IEC1000?3?2；欧美日各国也颁布实施了各自的标准。为此谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题。2高次谐波及功率因数校正一般开关电源的输入整流电路为图1所示：市电经整流后 近年来，随着电子技术的发展，对各种办公自动化设备，家用电器，计算机的需求逐年增加。这些设备的内部，都需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。作为限制标准，IEC发布了IEC1000?3?2；欧美日各国也颁布实施了各自的标准。为此谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题。 2高次谐波及功率因数校正 一般开关电源的输入整流电路为图1所示： 市电经整流后对电容充电，其输入电流波形为不连续的脉冲，如图2所示。这 种电流除了基波分量外，还含有大量的谐波，其有效值I 式中：I1，I2，…In，分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量。 谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变,我们将各次谐波有效值与基波有效值 的比称之为总谐波畸变THD(TotalHarmonicDistortion) THD=(2) 用来衡量电网的污染程度。脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变，见图3的波峰处。它对自身及同一系统的其它电子设备产生恶劣的影响，如： ——引起电子设备的误操作，如空调停止工作等； ——引起电话网噪音； ——引起照明设备的障碍，如荧光灯闪灭； ——造成变电站的电容，扼流圈的过热、烧损。 功率因数定义为PF=有效功率/视在功率,是指被有效利用的功率的百分比。没有被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动，不仅增加线路损耗，而且成为污染源。 设电容输入型电路的输入电压e为： 三相功率因子校正（PFC）技术的综述(1) 杨成林，陈敏，徐德鸿 (浙江大学电力电子研究所，浙江杭州310027） 摘要：综述了三相功率因子校正电路发展现状，并对典型拓扑进行分析比较。 关键词：三相整流器；谐波；功率因子校正 1 引言 近20年来电力电子技术得到了飞速的发展，已广泛应用到电力、冶金、化工、煤炭、通讯、家电等领域。电力电子装置多数通过整流器与电力网接口，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路，在电网中产生大量电流谐波和无功污染了电网，成为电力公害。电力电子装置已成为电网最主要的谐波源之一。我国国家技术监督局在1993年颁布了《电能质量公用电网谐波》标准（GB/T14549-93），国际电工委员会也于1988年对谐波标准IEC555 2进行了修正，另外还制定了IEC61000-3-2标准，其A类标准要求见表1。传统整流器因谐波远远超标而面临前所未有的挑战。 表1 IEC61000-3-2A类标准 注：表中n为谐波次数。 抑制电力电子装置产生谐波的方法主要有两种：一是被动方法，即采用无源滤波或有源滤波电路来旁路或滤除谐波；另一种是主动式的方法，即设计新一代高性能整流器，它具有输入电流为正弦波、谐波含量低、功率因子高等特点，即具有功率因子校正功能。近年来功率因子校正(PFC)电路得到了很大的发展，成为电力电子学研究的重要方向之一。 单相功率因子校正技术目前在电路拓扑和控制方面已日趋成熟，而三相整流器的功率大，对电网的污染更大，因此，三相功率因子校正技术近年来成为研究热点。 2 三相六开关PFC电路 六开关三相PFC是由6只功率开关器件组成的三相PWM整流电路，电路如图1所示。每个桥臂由上下2只开关管及与其并联的二极管组成，每相电流可通过桥臂上的这2只开关管进行控制。如A相电压为正时，S4导通使L a上电流增大，电感L a充电；S4关断时，电流i a通过与S1并联的二极管流向输出端，电流减小。同样A相电压为负时，可通过S1及与S4并联的二极管对电流i a进行控制。在实际中控制电路由电压外环、电流内环及PWM 发生器构成。常用的控制方法如图2所示。PWM控制可采用三角波比较法、滞环控制或空间向量调制法（SVM）[27]。由于三相的电流之和为零，所以只要对其中的两相电流进行控制就足够了。因而在实际应用中，对电压绝对值最大的这一相不进行控制，而只选另外两相进行控制。这样做的好处是减小了开关动作的次数，因而可以减小总的开关损耗。该电路的优点是输入电流的THD小，功率因子为1，输出直流电压低，效率高，能实现功率的双向传递，适用于大功率应用。不足之处是使用开关数目较多，控制复杂，成本高，而且每个桥臂上两只串联开关管存在直通短路的危险，对功率驱动控制的可靠性要求高。为了防止直通短路危险，可以在电路的直流侧串上一只快恢复二极管[28]。 图1 三相六开关PFC电路 Matlab功率因数校正电路的研究 王会涛重庆通信学院研究生队 钱希森任开春重庆通信学院电力电子教研室 Matlab是一种功能强大的数值计算软件，应用领域很广。在继Matlab5.3之后推出的电力系统工具箱（Power System Blocket）,它是在Simulink仿真软件的运行环境下的一个电路工具箱，操作简单易学，不需要自己编程，只需用鼠标拖出元器件来搭建自己需要的电路，仿真速度比Pspice快。在仿真过程中，可以随时观察仿真结果，并对仿真结果进行处理，以及对电路参数进行分析和优化，达到事半功倍的效果。本文对Matlab在功率因数校正方面的电路进行建模和仿真分析。 一、功率因数校正的原理 功率因数校正电路基本上是一个AC/DC变换器。其输出是不可调节的直流电压Vd，一个大电容Cd（1000uF）用来滤除低频纹波。电容和电阻作为电路的等效负载，电网仅在每个工频周期的一小部分时间里给负载提供能量。电流中包含丰富的高次谐波电流存在严重的畸变，功率因数校正实际上是对输入电流整形使其尽可能正弦化，同时改善电源系统的输入阻抗，使之尽量呈电阻性，达到基波电流与电压同相位。这就是功率因数校正的基本思路。 常用的功率因数校正控制方式采取双环控制，“外环”电压环和“内环”电流环。其中，电流控制环使输入电流接近正弦，电压控制环使电路输出电压稳定，其输出直流电压经分压后作反馈电压送至电压比较器UA与基准电压比较后，其输出作为乘法器的一个输入，乘法器的另一个输入来自整流后的输入电压。另外，从电感和整流器连接端得到取样电流送到CA的反相端，其输出直接加到PWM比较器A的同相端。其控制流程如图1所示。 图1平均电流控制原理图 二、功率因数校正电路仿真模型的建立 Matlab的仿真电路是以图形仿真软件Simulink为运行环境，在SimPowerSystems库中包括了电路、电力电子、电力传动及电力系统等电工方面常用的元器件。进入SimPowerSystems模块库中用鼠标直接拖动模块放置原理图窗口，然后对其进行参数的设置和原理图的绘制，操作极其简单，完全满足功率因数校正电路的要求。 1、元器件的仿真模型 在Elements库中，库中没有单独的电阻、电感和电容元件，而是电阻电容电感的串联和并联电路，绘制仿真电路图时，通过设置它们的具体参数来得到我们需要的纯电阻、电感和电容值以及允许的有功功率。如把电感和电容都设为0 ，电阻设为需要的值就得到纯电阻，也可以把电阻和电感设为需要的值，电容设为inf来得到一个感性负载。在Electrical elements元件库中，有各种功率开关模块（MOSFET、IGBT、GTO、DIODE等），通过双击其模块进行设置，如DIODE的参数有：电阻值、电感值、导通压降、初始电流、吸收电阻、吸收电容。根据设计需要设置相应的值。 2、主电路的仿真模型 首先，在Electrical Sources 库中找到交流电源将其放置在原理图窗口中，然后双击模块 功率因数校正(PFC)技术综述 摘要:消除电网谐波污染，提高功率因数是电力电子领域研究的一个重大且很有实际价值的课题。本文介绍了电网谐波污染问题和谐波抑制的方法；指出了功率因数校正的目的和意义；回顾了功率因数校正技术的发展概况、研究现状和未来的发展方向。 1 引言 高效无污染地利用电能是目前世界各国普遍关注的问题。根据统计，实际应用中有70%以上的电能要经过电力电子装置进行转换才能被利用，而在电力电子换流装置中，整流器约占90%，且大多数采用了不控或相控整流，功率因数低，向电网注入大量高次谐波，极大地浪费了电能。 电力系统谐波的来源主要是电网中的电力电子设备，随着此类设备装置的广泛应用，给公用电网造成严重污染，谐波和无功问题成为电器工程领域关注的焦点问题。为了减轻电力污染的危害程度，许多国家纷纷制定了相应的标准，如国际电工委员会的谐波标准IEEE555-2和IEC-1000-3-2等，这些都有力地促进了学术界和工程界对谐波抑制的研究。解决谐波污染的主要途径有两条：一是对电网实施谐波补偿，二是对电力电子设备自身进行改进。前者包括对电力系统的无源滤波和有源滤波(APF)，后者包括对电力电子装置的无源和有源功率因数校正，相比而言，后者是积极的方法。 电力电子装置的有源功率因数校正(APFC或PFC)从上个世纪80年代中后期以来逐渐成为电力电子技术领域研究的热点。功率因数，是对电能进行安全有效利用的衡量标准之一。从最初的因为大量感性负载投入电网带来的无功损耗，到后来的因为各种非线性整流装置投入电网带来的谐波污染，再到现在的电力电子装置尤其是开关电源的广泛使用而带来的大量谐波对电网的危害，功率因数校正技术走过了从无功功率补偿到无源、有源滤波、再到有源功率因数校正和单位功率因数变换技术的发展历程。功率因数校正技术的发展，成为电力电子技术发展日益重要的组成部分，并成为电力电子技术进一步发展的重要支撑。目前，单相功率因数校正技术的研究比较多，在电路拓扑和控制方面都相当成熟，而三相功率因数校正的研究则相对较晚较少。近年来随着PFC技术的研究的不断深入，三相PFC日益引起人们的重视。单相PFC技术的成熟对三相PFC的研究有很大的借鉴意义。 随着全世界范围谐波标准的强制执行，生产和制造低谐波污染的三相电力电 1.3.1 “填谷式”功率因数校正电路方法 这种所谓的填谷式功率因数校正方法需要用到额外的二极管和电容器，通过改变存储电容各充电和放电阶段的电路效率来提高功率因数。这种情况并不是真正的无源（没有LC滤波器），而是有源的，只是因为在一个周期的不同时期二极管的开关工作。 这种方法是由Spangler于1988年提出的。最近，KitSum采用Spangler电路的倍电压类型的计算机模拟结果表明功率因数有可能达到98％。 在低功率应用如荧光灯中该低成本解决方案是很有潜力的，原始的Spangler方案已在这方面应用了很多年。它是一个不容忽视的好的、廉价、实用有效的解决方案。 图4.1.7给出了原始的Spangler电路，图4.1.8给出了计算机模拟的该电路输入所期望的电流波形。图4.1.9给出了新型的倍电压类型的Spangler电路，图4.1.10给出了计算机模拟的在倍电压类型电路的输入所期望的电流波形。 4.1.7低功率应用时的“填谷式”功率因数校正电 路 (Spangler) 图4.1.8 Spangler电路的典型输入电流波形 4.1.9 改进后的“填谷式”功率因数校正电路 (Spangler和 KitSum) 4.1.10 改进后的Spangler电路的输入电流的波 形 1.3.2功能 在简单条件下，图4.1.7所示填谷式功率因数校正电路的功能如下： 考虑输入正弦波为刚过零点的情况。设加在负载R1上的输出电压约为供电输入电压峰值的１/3 ，C1通过D3给负载供电，同时C2通过D2给负载供电。因此C1和C2是以并联的方式给负载供电。二极管D1反偏不导通。 因为电源桥式整流器BR1的输出电压超过供电电压，所以桥路二极管被反向配置而输入电流将为零，如图4.1.8中波形的起始部分所示。 当输入电压大于输出电压时，BR1将导通以增大输出电压。此时二极管D2和D3将关断，电容器C1和C2将停止向负载供电。因此负载电路现在直接从电源通过桥式整流器提供，因供电电压小于C1和C2上的电压之和，这时D1将不导通。 直到供电电压达到C1和C2上的电压之和时，加到整流桥输出的负载才是线性的负载，输入电流将和输入电压一样为正弦波形。 当供电电压达到峰值时，它将超过C1和C2上的电压之和，D1通过C2、D1、R2和C1导通并再对串联电容器充电。供电电压峰值附近的短暂电流被电阻器R2限流。 当供电电压开始下降时，所有的二极管都将关断，负载电流又重新直接通过整流桥BR1供电。 当供电电压刚下降到原来峰值的50％时，二极管D3和D2将重新导通，通过并联的C1和C2有源功率因数校正技术及控制方式分析_张浩
PFC开关电源功率因数校正原理
功率因数计算公式及提高功率因数的方法
功率因数校正原理及相关IC.
功率因数校正技术的综述
基于Matlab的功率因数校正电路的仿真分析
功率因数校正(PFC)技术综述
“填谷式”功率因数校正电路原理